(57)【要約】【課題】  地熱発電の原理を安全に紹介することができる地熱発電実験装置を提供する。【解決手段】  熱源の熱を一端の側から他端の側に運ぶ１又は複数本の高温側ヒートパイプ１０と、高温側ヒートパイプを挟持する熱伝導性の第１保持部材１１と、ヒートシンク３３に接続して常温に維持される常温側ヒートパイプ３０と、常温側ヒートパイプ３０を挟持する熱伝導性の第２保持部材３１と、第１保持部材１１と第２保持部材３１との間に配置されたペルチェ素子４０とを備える。高温側ヒートパイプ１０の一端を湯等の熱源に挿入すると、ペルチェ素子４０の一方の面と他方の面との間に温度差が生じ、ペルチェ素子４０が発電する。【選択図】図１
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【実用新案登録請求の範囲】
【請求項１】
熱を輸送する溶媒が封入されたヒートパイプであって、熱源の熱を一端の側から他端の側に運ぶ１又は複数本の高温側ヒートパイプと、
前記高温側ヒートパイプの前記一端よりも前記他端に近い側を挟持する熱伝導性の第１保持部材と、
前記溶媒が封入されたヒートパイプであって、ヒートシンクに接続して常温に維持される常温側ヒートパイプと、
前記常温側ヒートパイプを挟持する熱伝導性の第２保持部材と、
前記第１保持部材と前記第２保持部材との間に配置されて前記第１保持部材と前記第２保持部材との温度差により発電するペルチェ素子と、
を備えることを特徴とする地熱発電実験装置。
【請求項２】
請求項１に記載の地熱発電実験装置であって、
前記第１保持部材と前記ペルチェ素子との間、及び、前記第２保持部材と前記ペルチェ素子との間に、マトリックス樹脂中に熱伝導性粒子を含む熱伝導性シートがそれぞれ配置され、
前記第１保持部材、ペルチェ素子、第２保持部材及び熱伝導性シートから成る積層体が、前記積層体の上下に配置された一対の締付部材と、前記一対の締付部材の間隔を狭めるように螺合されるネジ部材とで締め付けられており、
前記ネジ部材は、前記第１保持部材から前記第２保持部材への熱の伝導を阻むため、少なくとも一部がプラスチックで形成されている、
ことを特徴とする地熱発電実験装置。
【考案の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本考案は、地熱発電に対する児童・生徒の関心を高めるように開発した教材用の実験装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
我が国の地熱発電の資源量は、アメリカ、インドネシアに次いで世界第３位である。
地熱発電は、温室効果ガスの発生が少なく、クリーンなエネルギーであること、風力や太陽エネルギーのような自然エネルギーと比較して、天候に左右されず、エネルギー密度が高いこと、地中の膨大なエネルギーを使って、安定した発電量を長年にわたって得られること、等のメリットを有しており、有効な再生可能エネルギーとして社会的に注目を集めている。
【０００３】
地熱発電の仕組みには、フラッシュ方式と、バイナリー方式とが知られている。
フラッシュ方式では、図９に示すように、地下深部の地熱貯留層より地熱流体を取り出し(１)、セパレータ（気水分離器）で熱水と蒸気とに分け、熱水は地下に戻し（２）、取り出した蒸気でタービンを回して発電する（３）。発電し終わった蒸気は冷却されて、水の状態で地下に戻される（４）。
【０００４】
一方、バイナリー方式では、図１０に示すように、地熱貯留層より地熱流体を取り出し(１)、蒸発器中の作動媒体（二次媒体）を地熱流体で温めて蒸気化する。作動媒体を温めた地熱流体は地下に戻し（２）、作動媒体の蒸気でタービンを回して発電する（３）。発電し終わった作動媒体は、冷却して液体に戻され、循環ポンプで再度蒸発器に送られる（４）。
【０００５】
下記ウエブサイトには、地熱発電を分かり易く教える装置として、図１１に示す地熱発電体験模型が紹介されている。この模型では、地熱貯留層に見立てた圧力鍋を、マグマだまりに見立てたＩＨクッキングヒーターで加熱し、圧力鍋から実際に蒸気を噴出させてタービン発電機を回し、発電するように構成されている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】ＪＯＧＭＥＣ（独立行政法人  石油天然ガス・金属鉱物資源機構）ホームページ  地質資源情報、パンフレット・展示模型、地熱発電展示模型、地熱発電体験模型
【考案の概要】
【考案が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、低学年の児童生徒も対象に含まれる教育現場では、蒸気により高温になる部分を有している模型は、実演時にヤケド等の思わぬ事故が発生する可能性がある。
本考案は、こうした事情を考慮して創案したものであり、地熱発電の原理を安全に紹介することができる地熱発電実験装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本考案の地熱発電実験装置は、熱を輸送する溶媒が封入されたヒートパイプであって、熱源の熱を一端の側から他端の側に運ぶ１又は複数本の高温側ヒートパイプと、前記高温側ヒートパイプの前記一端よりも前記他端に近い側を挟持する熱伝導性の第１保持部材と、前記溶媒が封入されたヒートパイプであって、ヒートシンクに接続して常温に維持される常温側ヒートパイプと、前記常温側ヒートパイプを挟持する熱伝導性の第２保持部材と、前記第１保持部材と前記第２保持部材との間に配置されて前記第１保持部材と前記第２保持部材との温度差により発電するペルチェ素子と、を備えている。
【０００９】
この地熱発電実験装置では、高温側ヒートパイプの一端を例えば湯等の熱源に挿入すると、湯の熱が高温側ヒートパイプの他端に運ばれ、高温側ヒートパイプの他端を挟持する第１保持部材の温度が上昇する。一方、ヒートシンクに接続する常温側ヒートパイプの熱は、常にヒートシンクを通じて放熱されるため、その温度が常温に保たれる。そのため、常温側ヒートパイプを挟持する第２保持部材の温度は、略常温である。ペルチェ素子は、一方の面の温度が湯の温度に、他方の面が常温になるため、その温度差に応じて発電する。このように、この地熱発電実験装置により、バイナリー方式の地熱発電が再現できる。
【００１０】
また、本考案の地熱発電実験装置では、前記第１保持部材と前記ペルチェ素子との間、及び、前記第２保持部材と前記ペルチェ素子との間に、マトリックス樹脂中に熱伝導性粒子を含む熱伝導性シートをそれぞれ配置し、第１保持部材、ペルチェ素子、第２保持部材及び熱伝導性シートから成る積層体を、積層体の上下に配置した一対の締付部材と、この一対の締付部材の間隔を狭めるように螺合させるネジ部材とで締め付ける。このネジ部材は、第１保持部材から第２保持部材への熱の伝導を阻むため、少なくとも一部が熱伝導率が低いプラスチックで形成されている。
【００１１】
こうして、第１保持部材を、熱伝導性シートを介してペルチェ素子の一面に密接させ、第２保持部材を、熱伝導性シートを介してペルチェ素子の他面に密接させることで、第１保持部材及び第２保持部材の温度が適切にペルチェ素子に伝わり、ペルチェ素子の発電効率が向上する。
【考案の効果】
【００１２】
本考案の地熱発電実験装置は、地熱発電の原理を教育の現場で安全に紹介することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本考案の実施形態に係る地熱発電実験装置の全体形状を示す図
【図２】図１の装置の側面図
【図３】図１の装置の要部を示す図
【図４】図３に示す要部の分解斜視図
【図５】図１の装置の模式的側面図
【図６】図１の装置を用いた実験の様子（第１の形態）を示す図
【図７】図１の装置を用いた実験の様子（第２の形態）を示す図
【図８】図１の装置を用いた実験の様子（第３の形態）を示す図
【図９】フラッシュ方式の地熱発電の仕組みを示す図
【図１０】バイナリー方式の地熱発電の仕組みを示す図
【図１１】従来の地熱発電体験模型を示す図
【考案を実施するための形態】
【００１４】
図１は、本考案の実施形態に係る地熱発電実験装置の全体形状を示し、図２は、その側面形状を示し、図３は、その要部を拡大して示している。また、図４は、その要部の分解斜視図である。
【００１５】
この装置は、延伸する先端が熱源に接触して、熱源の熱を基端側に運ぶ５本の高温側ヒートパイプ１０と、高温側ヒートパイプ１０の基端側を挟み付けて保持する２つの分割部材１１１，１１２から成る第１保持部１１と、熱伝導性シート５１と、熱伝導性シート５１を介して第１保持部１１の熱が一方の面に伝わるペルチェ素子４０と、ペルチェ素子４０の他方の面に接触する熱伝導性シート５２と、両端がヒートシンク３３に接続するように折曲された４本の常温側ヒートパイプ３０と、常温側ヒートパイプ３０の中央部分を挟み付けて保持する２つの分割部材３１１，３１２から成る第２保持部３１と、常温側ヒートパイプ３０に接続して常温側ヒートパイプ３０の熱を放熱する多数の放熱板を有するヒートシンク３３と、第１保持部１１、熱伝導性シート５１、ペルチェ素子４０、熱伝導性シート５２、及び、第２保持部３１から成る積層体を上下から挟む一対の締付部材６１，６２と、一方の締付部材６１と他方の締付部材６２との間隔を狭める方向に締め付けるネジ部材６３とを有している。
【００１６】
ネジ部材６３は、図４に示すように、金属素材のネジ部６３１と、プラスチック素材のネジ部６３２とから成り、それらが結合されて積層体を締め付けている。熱伝導率の低いプラスチック素材のネジ部６３２は、第１保持部１１の熱が、ネジ部材６３を介して第２保持部３１に伝わるのを阻止している。
【００１７】
高温側ヒートパイプ１０及び常温側ヒートパイプ３０は、銅やアルミ等のパイプ中に揮発性の作動液が封入されており、作動液が蒸発して（その際に潜熱を吸収する）移動し、移動先で凝縮する(その際に潜熱を放出する）ことにより熱の移動が行われる。
【００１８】
第１保持部１１の分割部材１１１，１１２、及び、第２保持部３１の分割部材３１１，３１２には、図４に示すように、それぞれ、高温側ヒートパイプ１０又は常温側ヒートパイプ３０が収まる溝が形成されている。
第１保持部１１を構成する分割部材１１１，１１２の各溝に高温側ヒートパイプ１０が収まるように、分割部材１１１，１１２で高温側ヒートパイプ１０を挟持することで、高温側ヒートパイプ１０と第１保持部１１との接触面積が増大し、高温側ヒートパイプ１０の熱は第１保持部１１に効果的に伝わる。
同様に、第２保持部３１を構成する分割部材３１１，３１２の各溝に常温側ヒートパイプ３０が収まるように、分割部材３１１，３１２で常温側ヒートパイプ３０を挟持することで、常温側ヒートパイプ３０と第２保持部３１との接触面積が増大し、常温側ヒートパイプ３０の熱は第２保持部３１に効果的に伝わる。
【００１９】
ペルチェ素子４０は、一方の面と他方の面との間に温度差があると、ゼーベック効果により起電力を生じる。図１、図２等においてペルチェ素子４０から延びる電線４１，４２は、ペルチェ素子４０の起電力を検証するために電力計やモータ、ランプ等に接続される。
【００２０】
ヒートシンク３３は、アルミや銅等の熱伝導率の高い金属材料で形成された多数のフィンを有しており、発熱源の熱を吸収して周囲に放熱する。そのため、常温側ヒートパイプ３０を介してヒートシンク３３に接続された第２保持部３１の温度が常温に保たれる。なお、ここでは、ヒートシンク３３としてＣＰＵクーラーを利用している。
【００２１】
締付部材６１，６２及びネジ部材６３による締付は、第１保持部１１と高温側ヒートパイプ１０とを密接させ、第２保持部３１と高温側ヒートパイプ１０とを密接させ、第１保持部１１と熱伝導性シート５１とペルチェ素子４０とを密接させ、ペルチェ素子４０と熱伝導性シート５２と第２保持部３１とを密接させる。そのため、各部材間での熱の伝達が良好に行われ、ペルチェ素子４０の発電効率が向上する。
【００２２】
図５は、実施形態の地熱発電実験装置の側面図を模式的に示している。
この装置を用いて地熱発電の実験を行う場合は、図６又は図７に示すように、高温側ヒートパイプ１０の先端を容器７０に貯めた湯７１に接触させる。
こうすると、湯７１の熱で高温側ヒートパイプ１０の基端側が温められ、第１保持部１１の温度が上昇する。
一方、第２保持部３１は、常温側ヒートパイプ３０を介してヒートシンク３３に接続されているため、第２保持部３１の温度は、常温に保たれる。
そのため、ペルチェ素子４０の一方の面と他方の面との間に温度差が生じ、ペルチェ素子４０は発電する。この発電は、ペルチェ素子４０から延びる電線４１，４２に電力計やモータ、ランプ等を接続することで確かめることができる。
【００２３】
また、図８に示すように、高温側ヒートパイプ１０の先端を、容器７０に貯めた湯７１に接触するように折曲すれば、実験装置を水平に配置することが可能になる。
【００２４】
このように、この地熱発電実験装置では、実験に際して、ヤケドを負うような高温部分が発生しない。そのため、地熱発電の原理を安全な状態で学習することができる。
【００２５】
なお、実施形態として示した構成は一例であって、本考案は、それに限られるものではない。
ここでは、第１保持部１１とペルチェ素子４０との間、及び、第２保持部３１とペルチェ素子４０との間に熱伝導性シート５１、５２を配置している。熱伝導性シート５１、５２の存在は、ペルチェ素子４０の発電効率を高める上で有効であるが、熱伝導性シート５１、５２を省略しても良い。
また、第１保持部１１、ペルチェ素子４０及び第２保持部３１の積層体を締め付けるため、締付け部材６１，６２及びネジ部材６３に代えて、プラスチック製の結束バンド等を用いても良い。
また、高温側ヒートパイプ１０及び常温側ヒートパイプ３０の本数は、適宜設定することができる。一本であっても良い。
【産業上の利用可能性】
【００２６】
本考案の地熱発電実験装置は、児童・生徒に地熱発電を理解させる教材として、教育現場や展示館等で広く利用することができる。
【符号の説明】
【００２７】
１０  高温側ヒートパイプ
１１  第１保持部
３０  常温側ヒートパイプ
３１  第２保持部
３３  ヒートシンク
４０  ペルチェ素子
４１  電線
４２  電線
５１  熱伝導性シート
５２  熱伝導性シート
６１  締付部材
６２  締付部材
６３  ネジ部材
７０  容器
７１  湯
１１１  第１保持部の分割部材
１１２  第１保持部の分割部材
３１１  第２保持部の分割部材
３１２  第２保持部の分割部材
６３１  金属素材のネジ部
６３２  プラスチック素材のネジ部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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